设想一种技术可以让杀虫剂深入土壤内部“治疗”特定部位，实现有效控制虫害的同时，限制其对环境的毒性。
美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校和凯斯西储大学朝着这个目标迈出了一步。他们发现，一种生物纳米微粒，也是一种植物病毒，能够更好地将农药分子传送到通常无法到达的地下深处。研究成果日前发表于《自然—纳米技术》。
这项科研工作可以帮助农民仅用较少的杀虫剂就能更好地管理难以对付的害虫，如寄生线虫，它们常常破坏土壤深处的植物根系。
“用植物病毒来实现植物健康，这听起来有点违反直觉。”加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院纳米工程教授、该论文的高级作者Nicole Steinmetz说道，“这是一个新兴的纳米技术研究领域，表明我们可以把植物病毒作为杀虫剂输送系统。这类似于在医学上如何使用纳米微粒将药物靶向运输到疾病部位，并减少其对患者的副作用。”
她解释道，杀虫剂在田间使用时是非常黏的分子。它们与土壤中的有机物质结合很强，很难穿透至根级水平，后者恰恰是线虫等害虫所在且造成损害的位置。作为补偿，农民最终会使用大量杀虫剂，导致有害残留物在土壤中堆积并渗入地下水。
Steinmetz团队在研究中发现一种特殊的植物病毒——烟草温和绿色花叶病毒（TMGMV），比研究中测试的大多数其他纳米微粒表现更好，它把“货物”运到地下30厘米处。TMGMV对两种农药和肥料的有效负载分别是8厘米和12厘米深。
其他植物病毒如酸浆花叶病毒仅能到达地下4厘米，豇豆花叶病毒虽然能“送货”到地下30厘米，但有效负载远不及TMGMV。
研究人员假设，纳米微粒的几何结构和表面化学可以在病毒的土壤运动过程中发挥作用。
“我们采用了从纳米医学中学到的概念，并将其应用于农业。在医学环境中，我们发现，具有细长管状和多种表面化学性质的纳米载体能更好地导航人体。而植物病毒可以更容易渗透和穿过土壤，这是有道理的，可能是因为这是它的自然栖息地。”Steinmetz说。
就安全性而言，TMGMV可以感染茄科植物，如番茄、土豆和茄子，但对其他数千种植物是无害的。此外，该病毒只通过植物之间的机械接触传播，而不是通过空气传播。研究人员表示，这意味着如果一个区域被这种病毒“治疗”，那么附近的区域就不会有被污染的危险。
这支团队还开发了一个计算模型，可以用来预测不同的农药纳米载体在土壤中的行为——可以移动的深度、需要多少数量、释放农药所需的时间。
“研究人员可以选择不同的植物病毒或纳米材料，利用我们的模型来确定他们的微粒作为农药传递剂的效果。”Steinmetz实验室生物工程博士生、该论文第一作者Paul Chariou说。
他还表示，计算模型减少了实验工作量。仅测试一种纳米颗粒就需要进行数百次分析，从每一个土壤柱中收集所有组分并进行分析，至少需要一个月。但利用这一模型，只需要10个土壤柱和4天时间就可以测试一种新的纳米微粒。
相关论文信息：DOI: 10.1038/s41565-019-0453-7
18926578588